Ратынский М.В. Основы сотовой связи (1998) (1151876), страница 19
Текст из файла (страница 19)
При рассмотрении цифровой обработки сигналов будем опираться на блок-схему рис. 2.6, отражающую все основные этапы обработки и их последовательность. В соответствии с этой схемой мы рассмотрим: — аналого-цифровое преобразование сигналов; кодирование речи; — канальное кодирование; — модуляцию. Каждому из этапов обработки в передающем тракте соответствует этап обработки в приемном, так что в идеализированной ситуации — при отсутствии шумов, помех и искажений при обработке и распространении сигналов — форма сигнала в соответствующих точках передающего и приемного трактов, например на выходе кодера речи и на входе декодера речи, на выходе АЦП и на входе ЦАП, тождественно одинакова. Реально этой тождественности не получается, но обработка сигналов должна быть построена таким образом, чтобы искажения не превышали допустимых пределов, Того, как оцениваются и контролируются зти искажения, мы коснемся в равд. 2.4.4,3 и 2.4.4.4.
При рассмотрении этапов цифровой обработки мы ограничимся изложением их принципов, без детализации схемотехнических решений, поэтому фактически наше изложение в значительной мере будет относиться сразу к обоим соответствующим друг другу блокам, один из которых находится в передающем тракте, а другой — в приемном; к модулятору и демодулятору, к кодеру и декодеру, к АЦП и ЦАП. Особняком остается блок эквалайзера, которому нет пары в передающем тракте; работу эквалайзера мы рассмотрим в равд. 2.4.5,4. Используемые в сотовой связи методы цифровой обработки сигналов, характеристики и параметры реализующих их устройств, в частности АЦП и кодера, теснейшим образом связаны с характеристиками передаваемых речевых сигналов. Поэтому мы коротко остановимся на последних.
Спектр мощности сигнала речи имеет максимум вблизи частоты 400 Гц и спадает на более высоких частотах со скоростью около 9 дБ на октаву. В соответствии с рекомендациями Международного консультативного комитета по телеграфии и телефонии (МККТТ~, при аналого-цифровом преобразовании и цифровой обработке сигнала речи ограничиваются интервалом частот 300...3400 Гц. Длительность звуков речевого сигнала составляет от нескольких десятков до нескольких сотен миллисекунд при среднем значении 130 мс, причем среднее значение для гласных звуков 210 мс, а для согласных 95 мс, В задачах кодирования сигнал речи часто рассматривают как квазистационарный гауссовский процесс, спектрально-корреляционные характеристики которого постоянны на интервале 20...30 мс. При телефонном Приниипы псстраения и технические праблемы разговоре мгновенный уровень речевого сигнала изменяется в диапазоне 35...40 дБ.
При этом уровень согласных в среднем на 20 дБ ниже уровня гласных. Слуховое ощущение громкости примерно пропорционально логарифму интенсивности воздействия. Пороговое для слуха изменение уровня звука не превышает ~1 дБ. Слух слабо чувствителен к точности передачи фазовых соотношений составляющих сигнала. Постоянная времени слуха в среднем составляет: при нарастании сигнала 20...30 мс, при спаде 100...200 мс. Закончив этим вводную часть, перейдем к последовательному рассмотрению этапов цифровой обработки. 2.4.4.2. Аналого-цифровое преобразование Аналого-цифровое преобразование является первым этапом цифровой обработки сигналов в передающем тракте (рис.2.6]. Как подсказывает само название, аналого-циФровой преобразователь (АЦП) является связующим элементом между аналоговым и цифровым участками тракта, преобразующим непрерывный аналоговый сигнал с выхода микрофона в цифровую форму, так что вся последующая обработка производится с сигналом, представленным в цифровом виде.
Соответственно цифре-аналоговый преобразователь (ЦАП) — последний элемент в цифровом приемном тракте, и задача его прямо противоположна: он преобразует цифровой сигнал в аналоговый, а последний поступает на динамик, преобразующий его в акустический сигнал, воспринимаемый ухом. Работа АЦП складывается из двух этапов, которые в реальном устройстве часто не могут быть четко отделены один от другого: дискретизации входного непрерывного сигнала во времени— обычно с постоянным шагом, т.е.
через равные интервалы времени, и квантования величины сигнала по уровню для этих дискретных моментов времени. В результате на выходе АЦП с фиксированным темпом, определяемым периодом дискретизации, появляются двоичные числа, т.е. наборы единиц и нулей, соответствующие уровням сигнала в моменты дискретизации. Этот процесс схематически иллюстрируется рис. 2.34, на котором моменты дискретизации показаны штрихами на оси времени и для трех моментов дискретизации указаны уровни сигнала — в десятичном и двоичном представлении.
В соответствии с теоремой Котельникова, частота дискретизации должна быть по крайней мере вдвое выше наибольшей частоты в спектре обрабатываемого сигнала. Поскольку, как указывалось в предыдущем разделе, при цифровой передаче сигналов речи по телефонным каналам связи ограничиваются полосой частот от 300 до 3400 Гц, общепринятой является частота дискретизации Ец = 8 кГц.
Глава 2 86 127 — ; > 107 -т 1101011 -127 Рис.2.34. АЦП осуществляет дискретизацию непрерывного сигнала во времени и квантование по уровню, преобразуя непрерывный аналоговый сигнал в последовательность импульсов (двоичных единиц — бит), несущих информацию об уровне сигнала в момент дискретизации Число двоичных разрядов АЦП обычно выбирается равным 8, включая знаковый разряд, так что диапазон чисел на выходе АЦП составляет от -127 до +127, поскольку 127 = 27-1. В результате на выходе АЦП получается поток 8-битовых чисел, следующих с частотой 8 кГц, т.е. поток информации на выходе АЦП составляет б4 кбит/с.
Практические схемы АЦП чаще всего строятся на основе сравнения выборок мгновенных значений аналогового сигнала с набором эталонов, каждый из которых содержит определенное число уровней квантования. В схемах ЦАП, как правило, используется формирование аналоговых величин (токов), пропорциональных весовым коэффициентам разрядов входного двоичного кода, с последующим суммированием в разрядах кода, содержащих единицы. АЦП и ЦАП выпускаются промышленностью серийно в виде микросхем, характеризуемых определенными значениями разрядности и быстродействия.
Примеры схем АЦП и ЦАП можно найти, например, в учебном пособии Гольденберга с соавторами (241, а более подробные сведения об АЦП и ЦАП вЂ” в изданиях типа монографии Бахтиарова с соавторами (11). Приииииы иостроеиил и техии ~еехие проблемы 2.4.4.3. Кодирование речи Кодер речи является первым элементом собственно цифрового участка передающего тракта, следующим после АЦП (рис.2.6).
Основная задача кодера (английский термин алсос(ег)— предельно возможное сжатие сигнала речи, представленного в цифровой форме, т.е. предельно возможное устранение избыточности речевого сигнала, но при сохранении приемлемого качества передачи речи. Компромисс между степенью сжатия и сохранением качества отыскивается экспериментально, а проблема получения высокой степени сжатия без чрезмерного снижения качества составляет основную трудность при разработке кодера. В приемном тракте перед ЦАП размещен декодер речи; задача декодера (английский термин бесобег] — восстановление обычного цифрового сигнала речи, с присущей ему естественной избыточностью, по принятому кодированному сигналу.
Сочетание кодера и декодера называют кодеком (английский термин — собес). Прежде чем перейти к рассмотрению кодеров речи, используемых в сотовой связи, приведем некоторые общие сведения об основных методах кодирования. Исторически сложилось два направления кодирования речи: кодирование формы сигнала (хкаре1онп сооупд) и кодирование источника сигнала [зоогсе соорпд). Первый метод основан на использовании статистических характеристик сигнала и практически не зависит от механизма формирования сигнала. Кодеры этого типа с самого начала обеспечивали высокое качество передачи речи (хорошую разборчивость и натуральность речи), но отличались меньшей по сравнению со вторым методом экономичностью. В методе кодирования формы сигнала используются три основных способа кодирования; импульсно-кодовая модуляция, ИКМ (английское наименование Рц!зе Сос)е Мооц(абоп — РСМ), дифференциальная ИКМ вЂ” ДИКМ (0(йегепба! РСМ вЂ” 0РСМ) и дельта-модуляция — ДМ (Оейа Мог)Шабоп — 0М).
ИКМ соответствует цифровой сигнал непосредственно с выхода АЦП, в нем сохраняется вся избыточность аналогового речевого сигнала. При ДИКМ эта избыточность несколько уменьшается за счет того, что квантованию с последующим кодированием и передачей по линии связи подвергается разность между исходным речевым сигналом и его предсказанным значением, а при приеме разностный сигнал складывается с предсказанным значением, полученным по тому же алгоритму предсказания. Шкала квантования может быть равномерной, неравномерной или адаптивно изменяемой; предсказание сигнала может быть не зависящим от формы последнего или же зависеть от формы сигнала, т.е.
быть адаптивным. Если при кодировании сигнала используются элементы адаптации, то соответствующую разновидность ДИКМ называют адаптивной ДИКМ вЂ” АДИКМ (Аг)арбре 0РСМ вЂ” АОРСМ). ДМ вЂ” это ДИКМ с однобитовым квантованием, она также может быть адаптивной (АДМ). АДИКМ находит применение, например, в беспроводном телефоне с коэффициентом сжатия 88 Гзявя 1 сигнала около 2.
В сотовой связи используется исключительно второй метод кодирования, как более экономичный, — коэффициент сжатия порядка 5...8 с увеличением его в перспективе еще вдвое. Второй метод — кодирование источника сигнала, или кодирование параметров сигнала, — первоначально основывался на данных о механизмах речеобразования, т.е. использовал своего рода модель голосового тракта и приводил к системам типа анализ-синтез, получившим название вокодерных систем или вокодеров (косогуег — сокращение от мо!се сооег, т.е. кодер голоса или кодер речи). Уже ранние вокодеры позволяли получить весьма низкую скорость передачи информации, но при характерном «синтетическом» качестве, речи на выходе. Поэтому вокодерные методы долгое время оставались в основном областью приложения усилий исследователей и энтузиастов, не находя широкого практического применения.
Ситуация существенно изменилась с выходом на сцену метода линейного предсказания, предложенного в 60-х годах и получившего мощное развитие в 80-х, в том числе в прямой связи с разработкой речевых кодексе для цифровых систем сотовой связи. Именно вокодерные методы на основе линейного предсказания и применяются в сотовой связи, причем зависимость этих методов от данных о механизмах речеобразования отступает на второй или даже третий план, а оценка передаваемых по линии связи параметров производится на основе статистических характеристик сигнала по жестко определенному алгоритму, как и при кодировании формы сигнала.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
